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近年来，超强超短脉冲激光技术的飞速发展使激光与物质相互作用被赋予了许多新的内容。超强超短激光在大气中传输会发生自聚焦成丝，产生等离子体通道并且辐射超连续白光。飞秒激光在大气中传输所表现出的各种非线性光学效应不仅对基础研究有着重要的意义，对于实际应用，如激光引雷，遥感探测和激光雷达等都有着巨大的应用价值。因此，飞秒激光大气中传输已经成为非线性光学和国际强场物理领域的一项研究热点，吸引了众多物理学家的研究兴趣。十几年来，飞秒激光的大气传输这个领域得到了飞速的发展，但仍有许多深层次的物理问题没有解决。而物理机制的深入理解会更好的促进实际应用的发展。本论文的工作是对飞秒激光在大气中传输的物理机制和若干相关物理问题进行了系统的研究。
文中首先介绍了初始光斑的不均匀性对高功率飞秒激光在大气中传输时所产生的影响。我们用数值模拟和势能解析法相结合的方法，对两个高斯光束的相互作用进行了研究。我们用解析的方法得到光势能，将每根光线看做一个光粒子，通过光粒子在变化的光势场中的运动来研究光丝的相互作用。分析了间距，相位差和交叉角对双光束相互作用的影响。研究发现，光束之间会出现吸引，融合和排斥等相互作用。光束之间的相互作用的性质(吸引还是排斥)是由光束的相位差决定的，而光束的间距和交叉角会改变相互作用力的大小。相位差和交叉角越小，形成的光通道越长越稳定。其次通过理论模拟进一步研究了初始聚焦对不均匀光斑成丝的影响，观察到了短焦距和长焦距透镜对激光成丝的不同作用。
然后，我们采用上面的光势能法，从物理的角度对我们组之前的工作一光丝之间的相互作用进行了分析。
其次，我们介绍了处理激光在湍流大气中传输的理论模型，采用随机相位屏的方法，对激光自由传输形成长达百米的光丝的机制进行研究，发现大气湍流是引起激光自由传输产生直径为毫米量级光丝的主要原因，理论预测与实验结果吻合。为了进一步证实湍流模型的正确性，我们进一步研究了预聚焦脉冲在湍流大气中的传输，发现产生了百微米量级的细丝，得到的模拟结果跟实验结果一致。因此这部分工作很好的解释了这个领域一直以来关于光丝直径的实验和理论结果不符的疑惑。
最后，我们对193 nm深紫外激光在大气中的传输进行了模拟。对于193 nm的激光而言，产生一个电子只需要两个光子，那么多光子电离带来的散焦作用更容易跟自聚焦平衡，形成一个准稳态的光通道。我们模拟中发现50 ps，20InJ的激光脉冲在空气中可以形成电子密度高于1013/cm3的70多米长的光通道。相比红外激光而言，形成的光通道的光强和电子密度值的振荡要小很多。在高功率激光开始传输的过程中，引起能量下降的主要原因是由于多光子电离损耗，而空气对深紫外激光的线性吸收主要影响的是脉冲的长距离传输。